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    郑州华晶金刚石股份有限公司

    科学家研发新型石墨烯材料透析膜

    关键词 石墨烯|2017-07-04 08:40:42|来源 中国超硬材料网
    摘要 (1)铜箔上生长出的石墨烯;(2)利用聚碳酸酯支撑片把石墨烯从铜箔上剥离开来;(3)科学家利用界面聚合对石墨烯中的大量裂缝和缺陷进行密封;(4)利用氧等离子体对石墨烯中特定大小的孔...

    (1)铜箔上生长出的石墨烯;(2)利用聚碳酸酯支撑片把石墨烯从铜箔上剥离开来;(3)科学家利用界面聚合对石墨烯中的大量裂缝和缺陷进行密封;(4)利用氧等离子体对石墨烯中特定大小的孔进行蚀刻。
           渗析,是利用过滤薄膜将材料分子从一种溶液中过滤出,使其变成更加稀释的溶液的一种工艺。在医学领域,渗析,也叫透析,常用于血液净化。此外,渗析还用于药物过滤净化,从化学溶液中将杂质去除掉,并利用渗析膜隔离出特定的分子用以医学诊断。
    目前,商用渗析膜在分离过滤分子时效率较低,这主要是由于其结构所致:这些渗析膜比较厚,而且渗析膜上的过滤孔也较为稠密,从而使得靶向分子很难迅速透过透析膜。
           近日,麻省理工学院(MIT)的工程师们利用石墨烯片——一种单层碳原子材料,成功制备出了一种厚度仅20纳米的高效功能性透析膜,可以对纳米尺寸的水溶液分子进行快速过滤,是目前透析膜过滤速度的10倍。而且,石墨烯片自身的渗析过滤效率则是传统过滤膜的100倍之多。
           MIT的博士后Piran Kidambi介绍到,石墨烯目前已经广泛应用于电子领域等技术,而我们的研发发现则进一步将石墨烯技术引领如了薄膜技术,特别是实验室规模的分离工艺和血液渗析。
           Kidambi说:由于石墨烯非常薄,利用它进行稀释就非常快。材料分子在经过石墨烯透析膜时,不像传统透析膜那样需要层层穿过又厚又曲径通幽的多孔结构。
           Kidambi是该研究的第一作者,研究成果发表在期刊Advanced Materials.上。其他六位合作作者来自MIT,其中包括机械工程系教授Rohit Karnik和电子工程系副教授Jing Kong。
           研究人员首先利用化学气相沉积法在铜箔上生长出一层石墨烯,然后将铜箔剥离开,将石墨烯片转移到聚碳酸酯材料的支撑片上,且聚碳酸酯支撑片上分布着足够大的孔可以使任何分子都能够通过。聚碳酸酯支撑片起到一种支架固定的作用,能够防止超薄石墨烯片发生卷曲。
           然后,工作人员利用氧等离子体技术在石墨烯透析膜上蚀刻出微孔,这样就可以使特定大小的材料分子有选择性的被石墨烯膜所过滤。氧等离子体是将氧泵入等离子体室,对材料进行蚀刻的一种技术。
           通过调整氧等离子体的参数条件,我们可以控制微孔的密度和大小。其中,一个氧自由基会和石墨烯的一个碳原子结合并更迅速发生反应,从而生成二氧化碳而消逸。而碳原子缺失所留下的空位就是一个微孔。工作人员发现,石墨烯片在氧等离子体中暴露的时间越长,构造出的微孔就越大,且更加稠密。而45-60秒左右的暴露时间则可以构造出非常小的孔。
           随后,研究人员将石墨烯透析膜放在稀释室内,对不同孔大小和孔分布的透析膜进行测试。稀释室的进口侧注入不同尺寸分子的混合溶液,包括氯化钾(0.66纳米宽)、维生素B12(1-1.5纳米)以及溶解酶(4纳米)。稀释室的出口处则为稀释溶液。然后,工作人员对分子在渗透每层石墨烯膜时的流速进行测定。
           研究发现,微孔透析膜可以过滤掉大分子左旋色氨酸,而氯化钾则直接渗透通过。大孔透析膜则可以直接通过大分子材料。
           同时,工作人员还对比了目前商用透析膜的过滤效果,对比结果表明,石墨烯透析膜的过滤速度是普通透析膜的10倍之快。
           Kidambi指出,聚碳酸酯支撑片上蚀刻出的微孔只占整个支撑片面积的10%,这在某种程度上限制了某些分子材料的过滤。但这仅有的10%区域的过滤性能就已经远比目前的透析膜性能高出很多。(编译:中国超硬材料) 
     

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